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一滩水银突然之间立了起来,变成了人形的固体,而且化身为穷凶极恶的杀手,它的手臂可以突然变成长剑,他的手指能够突然变为匕首,并伸缩自如,在别人没有察觉时突然致人死命。它还能在必要时突然化为一滩水银,迅速漫到其他地方再重新立起来。人类简直无法对付它,任何冲击(木棒或刀枪,甚至子弹)都会很轻易地击穿它的身体,但恐怖的是,那个被击穿的洞很快就弥合了起来,变形杀手的能力丝毫没有被削弱……
还好,这只是科幻影片中的一幕,现实中水银还不会变形为这么恐怖的固体人。但是近期科学家发现的一种可能存在的固体却拥有了上述的恐怖能力。
超液体的启示
超低温世界的物质性质总是令人感到出乎意料。许多年来,人们对于氦在超低温下形成的液体所表现出的性质惊讶不已。就像具有特异能力的人可以叫做“超人”一样,科学家称它为超流体或超液体。
液体只能乖乖地呆在杯子里,超液体却可以顺着杯子壁向上漫延,直到爬出杯子来到外面;液体中搅动山一个漩涡,漩涡逐渐就消失了,超液体中的漩涡却可以永远地在那儿旋着,不减弱也不消失;向液体中插入一根毛细管,在光照下没有见到什么现象,而向超液体中插入毛细管,光照时却会喷出美丽的喷泉;要让液体穿过细密的网,必须给它施加一定的压力,但是超液体很自觉,不费吹灰之力就可以透过非常细密的网。
总之,超液体没有了一点内部摩擦粘滞力,它可以随心所欲做出许多液体做不到的、令我们大吃一惊的事情。但是超液体又是液体,是液体中的另类,由原本不是超液体的液氦变来,在低温下产生了特异的性质。
科学家在想,既然液体在低温下会存在另类,那么固体也应该存在低温下的另类吧?如果另类固体真的存在,那么它将是什么性质呢?
根据超液体与液体的性质对比,我们可以推测那个低温另类固体的性质:它应该也没有了内部摩擦粘滞力,那么它就会看起来是固体,其实它却可以随意被一些普通固体穿越。而且它的表面也没有摩擦力,若想把它放在甲板上拖它是不可能的,若是给它施加一个速度,它真的会沿着直线永远跑下去,只要这条直线式的跑道存在。我们也按照上面的命名方式,把这种固体叫做超固体。
其实,早在1969年,俄罗斯理论物理学家就预言了这种超固体的存在,他们认为极低温下,超固体晶体中的空隙能够集中在一起到处流动,如果在超固体一侧的空隙中放上固体,那么固体就会随着这些空隙一起在超固体中随意穿梭,甚至直接穿越而过。
科学家预测,最有希望出现这种超固体现象的物质还应该是固体氦,而且温度应该是比液氦的温度更低。
发现超固体的踪迹
于是,科学家们直接在液氦的基础上寻找发现理想中的怪异固体的突破口。
1997年,美国加利福尼亚大学的科学家在液氦的基础上继续冷冻加压,他们用的是一种特殊的氦即氦—4。在冷冻加压的过程中,他们不断利用超声波冲击固体氦—4,来探测氦—4的性质。只见当温度降到只有0.2K时,超声波的传播速度突然升高,并很快速地在固体氦—4中分散开来。研究者分析,当声音穿过固体时,会引起原子振动,声音的传播有一定的速度。但是如果晶体的一部分变成超固体,它将与晶体的剩余部分脱离联系,而且它内部没有任何阻碍传播的原子振动产生的阻力,于是超声波传播的速度加快了。
他们发现的反常现象激起了美国宾夕法尼亚州立大学的科学家的兴趣,这些科学家设计了更巧妙的办法进行实验。实验中,他们将氦—4充进玻璃盘中,这种玻璃盘可以旋转,旋转过程中不断冷却,并加压至60多个大气压。当温度降到0.175K时,这时的氦—4早已经变成了固态,但是他们却发现玻璃盘在这个温度点上的旋转突然变得轻松了,也就是玻璃盘的旋转速度突然加快了。只有其中2%的固体氦变成了没有摩擦力、具有超流动性的超固体,才能解释这种奇怪的现象。因为超固体不会随着玻璃盘转动,所以看上去98%的固体氦正在从2%的静止超固体氦中随意穿过。这样,玻璃盘就只需要拖着98%的固体转动,于是就可以旋转得轻松一些。
这种现象会不会是实验设计缺陷导致的呢?为了排除这种可能性,他们再次用氦—3代替氦—4进行了实验,因为氦—3与它的兄弟氦—4不同,在极低温下不容易形成玻色—爱因斯坦凝聚态。果然,他们没有发现预料中的超固体现象,于是科学家确信,他们所发现的现象就是超固体的性质。
会表演穿墙术的超固体问世了。《聊斋志异》中经常会有这样一幕:一个人向一堵墙走去,只见他很快从墙的一侧没入了墙,又很快从墙的另一侧显现了出来。固体也可以毫不犹豫地向超固体走去,很快从超固体的一侧消失,又从另一侧出现。或者这种超固体出现上述科幻片中的一幕:能够任意变形,任何物体撞击它,都会很容易撞出一个洞,但是恐怖的是,转眼之间,洞就自动弥合了。这种超固体不怕任何伤害。
超固体并不存在?
所有的实验都证明,在压强足够、温度低于0.2K时,就会有1%以上的固体氦表现出异常的性质。至此,我们是否可以确定固体氦在一定条件会变成超固体了?事情的发展还没有那么顺利,往往总是一波三折。
近期,另外的两位研究者却发现,当让氦—4在固体氦的熔点附近保持几个小时,再慢慢降温到0.2K以下,就会只有0.05%的固体氦,甚至没有固体氦表现出超固体的性质。这该如何解释呢?
我们知道晶体在结晶的过程中若是缓慢降温,晶体则排列比较紧密整齐,晶体的颗粒比较大。氦在形成晶体的过程中,其降温速度也同样会影响到晶体的排列,若降温速度较慢,晶体内部结构就会比较整齐,内部的瑕隙较少。难道晶体内部的混乱和瑕隙与超固体的性质密切相关?
研究者又进行了进一步的实验,他们基本上是重复宾夕法尼亚州立大学的实验过程,但是却是让氦—4以极快的速度冷冻结晶,这样会在结晶中引入更多的混乱和瑕隙,结果正如所预料的那样,有20%之多的固体氦表现出了超固体的性质。
难道超固体的性质真的是低温下晶体内部的混乱造成的吗?
科学家在研究过程中发现,晶体一般在两种情况下会表现出超固体的性质,一种情况就是晶体中存在许多裂隙。还有一种情况,就是当氦—4所形成的晶体非常混乱,像一块玻璃时,也会表现出超流动性,这时的晶体状态叫超玻璃态。
为什么质量完美的晶体没有观察到无摩擦的超流动性,而晶体内部有裂隙却会出现这种现象呢?科学家分析,这是因为晶体的边界处有一层液氦膜,就像冰的表面有一层水膜一样。正是液氦的超流动性润滑了晶体的边界,让氦晶体整体体现出一定的超固体的性质。第二种情况,当氦—4的排列像玻璃时,这种极低温下的玻璃很容易变形滑动,所以才会让晶体呈现出超固体的性质。
根据近期科学家的这些发现和分析,前几年被炒作得沸沸扬扬的超固体好像并不存在,它只是晶体内部缺陷导致的整体表现而已。1969年,俄罗斯物理学家的预言先是被肯定,现在又被否定了。这真有点戏剧性的变化。
继续捉拿超固体
但是这场戏还没有完。超固体现象的发现者认为,虽然固体氦晶体内部的混乱和罅隙可以因为晶体边界的液氦膜的流动而使晶体呈现出超固体现象,但是确实也应该存在很少部分的固体氦转变成了超固体,因为他们测量了固体氦在降温过程中释放热量的多少,他们发现在转动的圆盘体现出转快的时侯,氦突然释放出了更多的热量,就像水变成冰时,会在0℃那一点释放出大量的热量。这说明固体氦肯定发生了变化,应该是从一种固体形式变成了另一种固体形式。而混乱的晶体边界无摩擦的滑动却不会释放更多的热量。
这种放热现象是否证明了怪异的超固体确实存在呢?科学家们的争论还没有停息。
(选自《科学之谜》)
还好,这只是科幻影片中的一幕,现实中水银还不会变形为这么恐怖的固体人。但是近期科学家发现的一种可能存在的固体却拥有了上述的恐怖能力。
超液体的启示
超低温世界的物质性质总是令人感到出乎意料。许多年来,人们对于氦在超低温下形成的液体所表现出的性质惊讶不已。就像具有特异能力的人可以叫做“超人”一样,科学家称它为超流体或超液体。
液体只能乖乖地呆在杯子里,超液体却可以顺着杯子壁向上漫延,直到爬出杯子来到外面;液体中搅动山一个漩涡,漩涡逐渐就消失了,超液体中的漩涡却可以永远地在那儿旋着,不减弱也不消失;向液体中插入一根毛细管,在光照下没有见到什么现象,而向超液体中插入毛细管,光照时却会喷出美丽的喷泉;要让液体穿过细密的网,必须给它施加一定的压力,但是超液体很自觉,不费吹灰之力就可以透过非常细密的网。
总之,超液体没有了一点内部摩擦粘滞力,它可以随心所欲做出许多液体做不到的、令我们大吃一惊的事情。但是超液体又是液体,是液体中的另类,由原本不是超液体的液氦变来,在低温下产生了特异的性质。
科学家在想,既然液体在低温下会存在另类,那么固体也应该存在低温下的另类吧?如果另类固体真的存在,那么它将是什么性质呢?
根据超液体与液体的性质对比,我们可以推测那个低温另类固体的性质:它应该也没有了内部摩擦粘滞力,那么它就会看起来是固体,其实它却可以随意被一些普通固体穿越。而且它的表面也没有摩擦力,若想把它放在甲板上拖它是不可能的,若是给它施加一个速度,它真的会沿着直线永远跑下去,只要这条直线式的跑道存在。我们也按照上面的命名方式,把这种固体叫做超固体。
其实,早在1969年,俄罗斯理论物理学家就预言了这种超固体的存在,他们认为极低温下,超固体晶体中的空隙能够集中在一起到处流动,如果在超固体一侧的空隙中放上固体,那么固体就会随着这些空隙一起在超固体中随意穿梭,甚至直接穿越而过。
科学家预测,最有希望出现这种超固体现象的物质还应该是固体氦,而且温度应该是比液氦的温度更低。
发现超固体的踪迹
于是,科学家们直接在液氦的基础上寻找发现理想中的怪异固体的突破口。
1997年,美国加利福尼亚大学的科学家在液氦的基础上继续冷冻加压,他们用的是一种特殊的氦即氦—4。在冷冻加压的过程中,他们不断利用超声波冲击固体氦—4,来探测氦—4的性质。只见当温度降到只有0.2K时,超声波的传播速度突然升高,并很快速地在固体氦—4中分散开来。研究者分析,当声音穿过固体时,会引起原子振动,声音的传播有一定的速度。但是如果晶体的一部分变成超固体,它将与晶体的剩余部分脱离联系,而且它内部没有任何阻碍传播的原子振动产生的阻力,于是超声波传播的速度加快了。
他们发现的反常现象激起了美国宾夕法尼亚州立大学的科学家的兴趣,这些科学家设计了更巧妙的办法进行实验。实验中,他们将氦—4充进玻璃盘中,这种玻璃盘可以旋转,旋转过程中不断冷却,并加压至60多个大气压。当温度降到0.175K时,这时的氦—4早已经变成了固态,但是他们却发现玻璃盘在这个温度点上的旋转突然变得轻松了,也就是玻璃盘的旋转速度突然加快了。只有其中2%的固体氦变成了没有摩擦力、具有超流动性的超固体,才能解释这种奇怪的现象。因为超固体不会随着玻璃盘转动,所以看上去98%的固体氦正在从2%的静止超固体氦中随意穿过。这样,玻璃盘就只需要拖着98%的固体转动,于是就可以旋转得轻松一些。
这种现象会不会是实验设计缺陷导致的呢?为了排除这种可能性,他们再次用氦—3代替氦—4进行了实验,因为氦—3与它的兄弟氦—4不同,在极低温下不容易形成玻色—爱因斯坦凝聚态。果然,他们没有发现预料中的超固体现象,于是科学家确信,他们所发现的现象就是超固体的性质。
会表演穿墙术的超固体问世了。《聊斋志异》中经常会有这样一幕:一个人向一堵墙走去,只见他很快从墙的一侧没入了墙,又很快从墙的另一侧显现了出来。固体也可以毫不犹豫地向超固体走去,很快从超固体的一侧消失,又从另一侧出现。或者这种超固体出现上述科幻片中的一幕:能够任意变形,任何物体撞击它,都会很容易撞出一个洞,但是恐怖的是,转眼之间,洞就自动弥合了。这种超固体不怕任何伤害。
超固体并不存在?
所有的实验都证明,在压强足够、温度低于0.2K时,就会有1%以上的固体氦表现出异常的性质。至此,我们是否可以确定固体氦在一定条件会变成超固体了?事情的发展还没有那么顺利,往往总是一波三折。
近期,另外的两位研究者却发现,当让氦—4在固体氦的熔点附近保持几个小时,再慢慢降温到0.2K以下,就会只有0.05%的固体氦,甚至没有固体氦表现出超固体的性质。这该如何解释呢?
我们知道晶体在结晶的过程中若是缓慢降温,晶体则排列比较紧密整齐,晶体的颗粒比较大。氦在形成晶体的过程中,其降温速度也同样会影响到晶体的排列,若降温速度较慢,晶体内部结构就会比较整齐,内部的瑕隙较少。难道晶体内部的混乱和瑕隙与超固体的性质密切相关?
研究者又进行了进一步的实验,他们基本上是重复宾夕法尼亚州立大学的实验过程,但是却是让氦—4以极快的速度冷冻结晶,这样会在结晶中引入更多的混乱和瑕隙,结果正如所预料的那样,有20%之多的固体氦表现出了超固体的性质。
难道超固体的性质真的是低温下晶体内部的混乱造成的吗?
科学家在研究过程中发现,晶体一般在两种情况下会表现出超固体的性质,一种情况就是晶体中存在许多裂隙。还有一种情况,就是当氦—4所形成的晶体非常混乱,像一块玻璃时,也会表现出超流动性,这时的晶体状态叫超玻璃态。
为什么质量完美的晶体没有观察到无摩擦的超流动性,而晶体内部有裂隙却会出现这种现象呢?科学家分析,这是因为晶体的边界处有一层液氦膜,就像冰的表面有一层水膜一样。正是液氦的超流动性润滑了晶体的边界,让氦晶体整体体现出一定的超固体的性质。第二种情况,当氦—4的排列像玻璃时,这种极低温下的玻璃很容易变形滑动,所以才会让晶体呈现出超固体的性质。
根据近期科学家的这些发现和分析,前几年被炒作得沸沸扬扬的超固体好像并不存在,它只是晶体内部缺陷导致的整体表现而已。1969年,俄罗斯物理学家的预言先是被肯定,现在又被否定了。这真有点戏剧性的变化。
继续捉拿超固体
但是这场戏还没有完。超固体现象的发现者认为,虽然固体氦晶体内部的混乱和罅隙可以因为晶体边界的液氦膜的流动而使晶体呈现出超固体现象,但是确实也应该存在很少部分的固体氦转变成了超固体,因为他们测量了固体氦在降温过程中释放热量的多少,他们发现在转动的圆盘体现出转快的时侯,氦突然释放出了更多的热量,就像水变成冰时,会在0℃那一点释放出大量的热量。这说明固体氦肯定发生了变化,应该是从一种固体形式变成了另一种固体形式。而混乱的晶体边界无摩擦的滑动却不会释放更多的热量。
这种放热现象是否证明了怪异的超固体确实存在呢?科学家们的争论还没有停息。
(选自《科学之谜》)